斗轮机煤场定位的控制算法

史春玲，李一红

（武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉430074）

斗轮堆取料机（简称斗轮机）是火力发电厂输煤系统中取煤和堆煤的重要设备之一.为了使斗轮机运行效率更高，并确保煤粉混合均匀，节约资源，提高燃烧效率，在斗轮机堆煤和取煤时，必须对斗轮机进行准确定位［1］.本文针对电厂输煤斗轮堆取料机煤场的定位算法进行了研究，以期进一步提高当前斗轮堆取料机的自动化程度.

1 斗轮机的结构

以轨道式斗轮机为例.斗轮机主要由金属架构、进料皮带机（尾车部分）、悬臂皮带机、回转机构、行走机构、斗轮及斗轮装置、俯仰液压机构等组成［2］.

其中，进料皮带机位于尾车上.它依靠尾车上两组液压缸的作用，完成俯仰动作.回转机构主要由支撑部分与回转驱动装置组成.回转驱动装置一般安装在转盘尾部或侧部，安装在减速器输出轴上的驱动齿轮与轴承的外齿相啮合，通过电动机的动力传动，实现转盘以上部分对于门座的回转.行走机构是用来将斗轮机在轨道上往复运动的机构，可以进行堆、取料行走和调车行走.操作室为斗轮机的中枢，操作室与立柱相固定，由操作盘 、操作仪表、控制设备及配电屏等组成.

2 斗轮在煤场中的D－H表示法

斗轮机煤场定位系统由传感器、DSP及其外围电路等组成.斗轮机简化成机器人手臂形式的模型后，即可建立机构运动学方程.为描述斗轮机相邻构件间平移和转动关系，可用D－H（Danevit－Hartennberg）方法.D－H方法是为每个关节处的杆件坐标系建立4×4齐次变换矩阵，表示它与前一杆件坐标系的关系.这样逐步变换，即可用基座坐标来表示斗轮坐标.具体做法为：把构件坐标系嵌入斗轮机的每一个连杆机构中，用齐次变换来描述这些坐标系之间的相对位置和方向.描述一个连杆与下一个连杆之间关系的齐次变换矩阵记为An矩阵（其中n表示第n个连杆）.假设斗轮机简化模型尺寸如图1所示［3］.

连杆各参数作如下定义：转角θn，连杆n绕关节n的Zn－1轴的转角，右手法则；距离dn，连杆n沿关节n的Zn－1轴的位移，沿Zn－1正向为正；长度an，连杆n沿Xn方向上的长度，Xn正向一致；扭角αn，连杆n两关节轴线之间的扭角，右手法则.

对于斗轮机基座即行走机构来讲，距离d1是其关节变量；对于回转机构和俯仰机构来讲，转角θ2、θ3是其关节变量.

斗轮机各连杆坐标系建立后，n－1系与n系之间的变换关系可用坐标系的平移、旋转来实现.从n－1系到n系的变换步骤如下：

1）令n－1系绕Zn－1轴旋转θ角，使Xn－1与Xn平行；

2）沿Zn－1轴平移dn，使Xn－1与Xn重合；

3）沿Xn－1轴平移an，使两个坐标系原点重合；

4）绕Xn－1的轴旋转αn角，使得n－1系与n系重合.

图1 斗轮机简化模型尺寸

用一个总的变换矩阵An来表示连杆n的齐次变换矩阵为：

这样，第n系中的点rn在第n－1系中可表示为

由此可推出第n坐标相对于基座坐标系位置齐次变换矩阵为

式中，［nnpnqn］是固连在第n个杆件上的第n个坐标系的姿态矩阵，Wn是由基座坐标系原点指向第n个坐标系原点的位置矢量.

对于斗轮机而言，斗轮机斗轮相对于行走机构的位置齐次变换矩阵为

只要求出A1、A2、A3，便可得到斗轮机斗轮相对于基座坐标系位置齐次变换矩阵.

确定斗轮的运动方程后，即可对斗轮进行准确的坐标定位.

3 算法示例

假设有一斗轮机行走轮到回转中心距离为12 m，回转中心轴到俯仰铰点距离85m，俯仰铰点到轮中心点距离6m，回转中心至地面带轮的距离为25m.建立图1所示的坐标系，斗轮机初始位置在参考坐标系（X0，Y0，Z0）中为P（1000）.斗轮机俯仰角度10°，接着回转角度为60°，向前行走100m.求运动后，斗轮相对于参考坐标系的坐标.

所以位置齐次变换矩阵为

解之得 X0＝4.924／629.53＝0.0078，Y0＝－0.868／629.53＝－0.0014，Z0＝－8.66／629.53＝－0.0138.

综上所述，经过一系列的变换后，P点相对于参 考 坐 标 系 （X0，Y0，Z0） 的 坐 标 为 （0.0078，－0.0014，－0.0138）.

4 结束语

电厂输煤系统面积较大，电煤在煤场中的储运是随机的，如何实现斗轮机高效输送电煤，如何在煤场中对斗轮机准确定位，以准确控制论斗轮相对煤堆的位置，进而提高输煤效率，对保证锅炉的正常运行，提高生产效率具有一定的现实意义.斗轮机的安全、有效运行，对电厂的正常、持续运转起关键作用.

［1］ 国电太原第一热电厂.输煤系统和设备［M］.北京：中国电力出版社，2008：2－5.

［2］ 中国动力工程学会.火力发电厂设备技术手册第四卷火电站系统与辅机［M］.北京：机械工业出版社，1998：5－12.

［3］ 计算机辅助设计与制造［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.